Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

В данном применении модулирующий сигнал — это кодовая последовательность импульсов, поступающих на базу транзистора (от микроконтроллера или другой специализированной микросхемы), рис. 12.4, а или же на питание каскада. На высоких частотах (300…450 МГц) катушку контура часто делают из проводников фольги прямо на печатной плате (она одновременно является и излучающей антенной). Работает такой передатчик тоже просто — импульсы, подаваемые на базу транзистора через резистор R1, то «включают» несущую, то «отключают» ее.

С некоторыми другими вариантами LC-генераторов мы c вами познакомимся на примере практических конструкций микромощных УКВ-передатчиков чуть позже. Такие генераторы работают на частотах до 400 МГц и применяются в простейших устройствах для передачи информации на небольшое расстояние, например для ретрансляции звукового сигнала, дистанционного управления игрушками, сигнализации и других.

Общим недостатком LC-генераторов является их невысокая стабильность частоты, обычно не лучше Δf/f0 = 10-3. Объясняется это тем, что на параметры элементов схемы влияют изменения температуры, а параметры транзистора зависят не только от температуры, но еще и от изменений напряжения питания (емкости переходов внутри транзистора подключены к колебательному контуру, а они меняются в зависимости от приложенного напряжения). Представьте, что при изменении температуры катушка будет менять свои размеры, а значит, и свою индуктивность. Но даже если использовать термостат для всего каскада, а также стабилизацию напряжения питания и режима работы транзистора, то все равно очень сложно получить стабильность частоты, близкую той, которую обеспечивают кварцевые резонаторы.

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты

В настоящее время в эфире интенсивно работает множество передающих средств. Поэтому, чтобы мощные передатчики не мешали друг другу, к ним предъявляются жесткие требования по долговременной относительной нестабильности частоты. Она должна быть не хуже, чем 10-5…10-8. Проще всего обеспечить такие параметры, применив кварцевые резонаторы.

Кварцевые резонаторы имеют характеристики, очень похожие на характеристики электрических колебательных контуров, но с очень высокой добротностью (Q = 104…106) — у LC-контура добротность обычно не превышает 150…300. Еще одно отличие заключается в наличии двух видов резонансов: последовательного и параллельного, наблюдающихся у этого элемента на разных частотах, хотя и близких.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его полного сопротивления (импеданса) от частоты показаны на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а) и изменение его импеданса от частоты (б)

В небольших пределах частоту резонанса можно менять («затягивать») путем подключения конденсатора последовательно с кварцем (или параллельно — зависит от того, какой резонанс из двух возможных используется в схеме). Этот метод обычно применяют для получения частотной модуляции или более точной настройки частоты. Следует знать также, что отечественная промышленность, как правило, выпускает кварцевые резонаторы с основной рабочей частотой до 22 МГц, а более высокочастотные кварцы работают на своих гармониках. Это связано с устаревшей технологией обработки кварцевых пластин.

Зарубежные предприятия выпускают кварцы с основной частотой до 35 МГц, а у ведущих фирм частота первой гармоники достигает 250 МГц. При выборе для генератора таких элементов особое внимание следует обращать на добротность резонатора — чем она выше, тем стабильнее частота (и тем они дороже, к сожалению).

Существует много разновидностей схем кварцевых автогенераторов, но на практике на высоких частотах наиболее распространены два вида, в которых:

а) кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи и используется как узкополосный фильтр, который эквивалентен активному сопротивлению на частоте резонанса (называют генераторами последовательного резонанса);

б) кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности (их называют осцилляторными генераторами).

Схема генератора с «кварцем» в цепи обратной связи между коллектором и базой, приведена на рис. 12.6.

Рис. 12.6. Генератор со стабилизацией частоты кварцем, включенным между базой и коллектором (а), и резонансная кривая потребляемого схемой тока, используемая при настройке (б)

Такие схемы применяют при работе резонатора на основной частоте до 30 МГц или до 90 МГц при возбуждении кварца на третьей гармонике (на соответствующую гармонику настраивается колебательный контур С3, L1). Если «кварц» работает на первой гармонике, то иногда в цепи коллектора ставят только катушку (дроссель) — это позволяет легко менять частотный канал заменой кварца удобно для аппаратуры радиоуправления — не потребуется перестройки передатчика на соседний — не занятый кем-то другим канал).

В схеме конденсаторы С1 и С4 являются блокирующими (закорачивают цепи по высокой частоте); С2 — облегчает запуск генератора и иногда может не устанавливаться. Резисторы R2, R3 задают режим работы транзистора по постоянному току, a R4 обеспечивает термостабилизацию рабочей точки каскада.

Довольно часто применяются генераторы с кварцевым резонатором включенным между базой и общим проводом, рис. 12.7. Во всех таких схемах обратная связь организуется за счет падения напряжения на резисторе в цепи эмиттера, а значение конденсатора, устанавливаемого параллельно этому резистору (от него зависит величина этой связи), можно подобрать экспериментально.

Аналогичная схема может быть выполнена и на полевых транзисторах (рис. 12.7, в). Для того чтобы на работу таких генераторов не оказывали влияния следующие каскады, их входное сопротивление должно быть больше, чем у резистора, который стоит на выходе.

Для небольшой подстройки частоты резонатора (др ±200 Гц) иногда последовательно с кварцем включают конденсатор (это повышает частоту) или индуктивность (для понижения частоты).

Приведенные схемы особенно удобны для генераторов с электронной перестройкой частоты, выполняемой при помощи варикапа — вариант такой схемы показан на рис. 12.3, г. На варикап подается постоянное обратное напряжение, от величины которого зависит его начальная емкость, а изменение емкости происходит под действием низкочастотного модулирующего сигнала. При частотной модуляции девиация частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала.

Рис. 12.7. Генераторы с кварцевым резонатором, включенным между базой и общим проводом (а, б), схема на полевом транзисторе (в) и генератор с электронной перестройкой частоты варикапом при ЧМ модуляции (г)

Максимальная достижимая мощность сигнала на выходе таких генераторов ограничена величиной тока высокой частоты, проходящей через «кварц». По техническим условиям рассеиваемая мощность на кварцевом резонаторе не должна превышать 1…2 мВт, а для повышения стабильности генератора ее следует уменьшить до величины 0,1…0,2 мВт. Поэтому для получения необходимой мощности в антенне после задающего генератора всегда ставят дополнительные каскады усилителей.

С другими видами кварцевых генераторов можно познакомиться в литературе, например [1].

Режимы работы ВЧ усилителей

Любой каскад усиления сигнала может работать в одном из режимов, названных буквами латинского алфавита: А, В, С или АВ (существуют еще усилители классов D и Е, но они не используются на высоких частотах, поэтому мы их рассматривать не будем). Отличие между режимами заключается в выборе рабочей точки усилительного каскада. Это поясняет рис. 12.8.

Рис. 12.8. Распространенные режимы работы ВЧ усилителей

Рабочая точка в усилителях класса А смещена таким образом, что через транзистор коллекторный ток протекает всегда. Входной сигнал усиливается без искажений, но коэффициент полезного действия (КПД) в лучшем случае может быть не более 50 %. В таком режиме обычно работают маломощные каскады передатчика.

В режиме класса В смещения рабочей точки у транзисторов нет (точнее, она является нулевой). Транзистор начнет усиливать сигнал, как только входное напряжение превысит уровень 0,6 В (с этим режимом вы уже знакомы по разделу, посвященному усилителям низкой частоты). При использовании двухтактного каскада транзисторы будут работать по очереди (каждый в течение одного полупериода входного сигнала), но в точке перехода напряжения через ноль из-за нелинейности характеристики наблюдаются небольшие искажения. КПД схемы может составить до 78 %. Такой режим работы применяется в мощных выходных каскадах.